Nhà Mạc mở rộng thành Đại La
Trong triều Lê, thế lực của Mạc Đăng Dung ngày càng lớn mạnh, mọi quyền bính hầu như đều bị Mạc Đăng Dung nắm bắt. Để đề phòng Mạc Đăng Dung phản nghịch, cướp ngôi, Lê Chiêu Tông bỏ Kinh thành, chạy lên vùng Sơn Tây tập hợp lực lượng đánh Mạc Đăng Dung. Mạc Đăng Dung bèn lập Lê Xuân, em cùng mẹ với Lê Chiêu Tông, làm vua. Đó là vua Lê Cung Hoàng. Sau đó, Mạc Đăng Dung đuổi bắt được Lê Chiêu Tông, đưa về Kinh giam lỏng rồi ngầm sai người giết chết. Ở ngôi được chưa đầy 5 năm, Lê Cung Hoàng bị Mạc Đăng Dung ép nhường ngôi báu. Nhà Mạc làm chủ ngai vàng, vẫn đóng đô ở Thăng Long, nhưng hiếm khi được yên ổn lâu dài. Các lực lượng ủng hộ nhà Lê nổi lên chống lại Mạc Đăng Dung khắp nơi, đáng kể nhất là lực lượng của Nguyễn Kim phò trợ vua Lê Trang Tông. Thời kỳ này, nước ta tồn tại 2 vua, một vua của triều đình nhà Mạc đóng giữ Hoàng thành Thăng Long, một vua của triều đình nhà Lê đóng giữ vùng Thanh Hóa, sử gọi là thời Nam – Bắc triều phân tranh.
Thành Đại La
Do chiến tranh xảy ra liên miên, Thăng Long bị tàn phá nặng nề. Trong khi phải lo đối phó với Nam Triều, triều đình nhà Mạc lại phải đối phó với nạn tranh giành quyền lực nên không có nhiều thời gian tu bổ. Nhiều lần, nhà Mạc phải bỏ thành Thăng Long, chạy ra ngoài để bảo toàn lực lượng. Điển hình là năm 1566, Mạc Mậu Hợp phải dời ra đóng quân ở Bồ Đề (Gia Lâm). Năm 1573, Mạc Mậu Hợp về lại Thăng Long, nhưng vẫn đóng đại bản doanh ở ngoài thành. Năm 1585, nhà Mạc mới được tạm yên ổn, bèn tập trung lực lượng tu bổ thành trì và xây dựng cung điện để đón vua và triều đình vào hẳn trong thành. Vừa đầy 1 năm thì công việc tu bổ, xây dựng hoàn tất. Năm 1586, Mạc Mậu Hợp chính thức dời vào thành Thăng Long.
Dời vào thành Thăng Long, nhưng Mạc Mậu Hợp vẫn không ngừng cho sửa sang thành trì, tăng cường lực lượng để đối phó với Nam Triều. Đầu năm 1588, nhà Mạc sai đắp thêm 3 lần lũy đất ngoài thành Đại La. Lũy đất này bắt đầu từ phường Nhật Chiêu (Nhật Tân), vòng qua Hồ Tây, tới khu Cầu Dừa, Cầu Dền (ô Chợ Dừa và ô Cầu Dền), kéo dài đến tận Thanh Trì. Lũy đất mới đắp rộng 25 trượng và cao hơn thành Thăng Long vài trượng. Ngoài lũy đất, nhà Mạc cho trồng tre làm lá chắn, lại đào tiếp 3 lần hào với những lũy tre nối tiếp nhau ken kín bờ. Như vậy, vòng thành đất này bao trọn cả khu vực Hồ Tây và là vòng thành lớn nhất trong lịch sử xây đắp thành lũy ở Kinh thành Thăng Long.
Những tòa ngang dãy dọc của “thành Đại La xưa”
Dụng công đào hào đắp lũy kiên cố, trùng điệp như vậy, nhưng nhà Mạc vẫn không giữ nổi Thăng Long, phải chịu thất thủ trước thế lực ngày một lớn mạnh của vua Lê và Trịnh Tùng. Để rồi, khi chiếm được Thăng Long, Trịnh Tùng trút lửa hận vào nhà Mạc bằng cách san phẳng mọi thành lũy, đốt phá mọi cung điện có liên quan đến nhà Mạc. Thăng Long, bởi vậy, sau chiến tranh vẫn bị tàn phá nặng nề.